分布式传感器网络安全监控系统的设计

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　　摘要：设计了分布式传感网络安全监控系统，能够感应场地中是否有火源及其火源的大体位置，并通过CAN总线把探测到火源信息传给监控设备，监控设备对火源的大小、位置进行分析后，既可以进行报警，又能把命令传给相应的网络控制节点，节点控制电磁阀打开喷水装置，实施灭火，从而实现安全监控系统的网络化和智能化。
　　关键词：CANINTERNET分布式传感网络安全监控
　　 分布式传感网络安全监控系统以CAN总线协议为基础，采用温度与气体浓度传感器组进行环境参数的采集，利用AT89C51单片机作为微处理器对采集数据进行处理，并通过CAN通信接口把处理结果传输到服务器，最后通过以LPC2378为核心的CAN与INTERNET通信适配器将信息传输到各个监控室，可以实现安全监控的实时性、有效性、灵活性、广泛性。
　　1 系统特点及总体设计
　　1.1 CAN总线特点
　　 CAN总线是一种有效支持分布式控制的串行通信网络，是德国BOSCH公司从20世纪80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而设计的一种串行数据通信协议，历经技术规范2.0A和2.0B后已形成CAN国际标准(ISO11898)。
　　(1) CAN 为多主工作方式，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点送信息，而不分主从。
　　(2) 在报文标识符上，CAN 上的节点分成不同的优先级，可满足不同的实时要求。
　　(3) CAN 采用非破坏总线仲裁技术。当多个节点同时向总线发送信息出现冲突时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。
　　(4) CAN 节点只需通过对报文标识符滤波即可实现点对点、一对多点及全局广播几种方式传送接收数据。
　　(5) CAN 报文采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，保证了数据出错率极低。
　　(6) CAN 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响。
　　1.2 系统总体设计
　　 系统由传感器组、CAN与INTERNET通信转换适配器、服务器和客户端组成，见图1。传感器组由温度、气体浓度传感器组成，主要负责现场温度、气体浓度数据的采集、处理、控制、显示、报警以及通过CAN 总线与通信转换器进行数据交换。CAN、以太网通信转换器主要负责CAN 总线数据的发送和接收，并将CAN 的数据通过局域网发送到用户端。服务器负责监控结果数据的存储和报表的存储，同时，向客户端提供访问服务和报警显示。客户端通过浏览因特网访问服务器上的数据并进行通信和控制。
　　
　　
　　 图 1 系统结构示意图图2 传感器网络节点框图
　　2 系统硬件设计
　　2.1 传感网络节点设计
　　 传感器网络节点包括三部分：检测、控制、通信,见图2。其中检测部分是由温度和气体浓度传感器组成负责环境信息的采集，温度传感器采用集成温度传感器AD590，该温度传感器的工作温度范围是-30-150度，温度分辨率为0.3摄氏度且外围电路比较简单；气体浓度传感器采用Detcon公司生产的红外线气体传感器，这种传感器以无干扰、智能化为特征，简单的菜单式校准及模块化设计和组装简化了安装、维护和调试。控制部分采用AT89C51单片机对传感器组采集的信息进行处理，AT89C51是一种低电压，带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器，高性能8位微处理器，性价比较高。通信部分由CAN控制器SJA1000和CAN收发器82C250构成，单片机处理后的信息经由此接口传给服务器，SJA1000有基本的Basic CAN和增强的Peli CAN两种模式，全面支持具有新功能的CAN 2. 0B协议。82C250可以提供总线的差动发送和接收功能，提高系统总线的节点驱动能力，增大通信距离、降低干扰。微处理器负责SJA1000的初始化，通过控制SJA1000实现数据的接收和发送等通信任务。
　　2.2 CAN、INTERNET通信适配器设计
　　 CAN与INTERNET通信适配器硬件框图，见图3，它的处理器采用NXP公司的ARM7TDMI-S核的单片LPC2378，是一款支持实时仿真和嵌入式跟踪的16/32位ARM7TDMI-S CPU，处理器时钟高达72MHz。片内含有高达512 KB的片内Flash和58 KB的片内SRAM存储器，具有强大的通信接口：10/100M INTERNET媒体访问控制器(MAC)，2路CAN-bus接口。增强型外设4个32位捕获/比较定时器、1个带有2 KB电池SRAM的低功耗实时时钟、看门狗定时器和1个片内4 MHz的RC振荡器。LPC2378的强大功能为CAN和INTERNET 的通信转换带来了极大方便。
　　
　　 图 3 CAN、INTERNET通信适配器框图 图 4 适配器软件流程图
　　3 系统软件设计
　　 主要包括传感器网络节点的数据采集与处理、通信、控制软件设计和CAN、INTERNER适配器软件设计以及服务器管理软件设计。该设计采用C语言实现，软件遵循模块化设计思想，采用结构化程序设计方案，使其具有良好的扩展性，便于移植和资源共享。网络节点软件主要由数据采集子程序、通信子程序和控制子程序3个部分组成。数据采集子程序检测各项物理参数(温度、烟雾)的变化、并通过算法进行简单处理；控制子程序主要是分析、处理服务器传送过来的控制指令，控制可控电磁阀；通信子程序负责节点与服务器的通信。服务器管理软件程序首先对CAN总线通信初始化，将其设置成固定地址的通信站点，负责数据和控制参数传输下载，然后搜索整个监控网络，找出系统中正常运行良好并处于正常监控状态的下层控制节点，根据地址列出全部节点，当每一个节点初始化后，可选择部分或全部节点进行操作，发送命令和接收数据。以CAN、INTERNER适配器软件设计为例，简单说明软件设计过程，见图4。
　　4 结束语
　　 利用丰富的网络资源，把油田各个火灾防范地区都纳入进来，把每处监控点都运行此系统进行有效连接，这样可通过中央集控系统，把发生火灾的地方以最直接、最快速的方式通知相应的部门，提高火灾预防与处理的简捷、快速性。
　　参考文献：
　　[1] 左希庆,李天真.基于CAN总线的传感器网络在安全监控系统中的应用[J].工矿自动化,2007(5):64-66.
　　注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。

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